บ่ายวันวานระหว่างนั่งอ่านวิทยานิพนธ์ก็มีสาวน้อยที่ทำแลปอยู่อีกภาควิชาหนึ่งในตึกข้าง
ๆ แวะเข้ามาถามปัญหาเกี่ยวกับการทดลอง
ก็มีอยู่หลายเรื่องด้วยกัน
แต่เรื่องหนึ่งที่คิดว่าน่าสนใจที่ควรจะนำมาพิจารณากันก็คือการแปลผล
FT-IR
ซึ่งผมก็ได้ให้ความเห็นตามที่นำมาเป็นหัวข้อเรื่องของ
Memoir
ฉบับนี้คือ
"พีคเหมือนกันก็แปลว่ามีหมู่ฟังก์ชันเหมือนกัน"
รูปที่
๑ (บน)
โครงสร้างของ
Syndiotactic
polypropylene (ล่าง)
Atactic polypropylene
รูปที่
๒ IR
spectra ของ
(บน)
Syndiotactic polypropylene (ล่าง)
Atactic polypropylene
อันที่จริงเรื่องการแปลผลการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดนี้
เคยกล่าวเอาไว้ครั้งหนึ่งนานแล้วในMemoir
ปีที่
๑ ฉบับที่ ๘ วันศุกร์ที่ ๕
กันยายน พ.ศ.
๒๕๕๑
เรื่อง "IRspectrum interpretation"
และขอแนะนำให้ผู้ที่ยังไม่มีพื้นฐานด้านนี้อ่านบทความฉบับดังกล่าวประกอบด้วย
สิ่งแรกที่ควรต้องพึงระลึกในการอ่านผลการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดคือ
การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดขึ้นอยู่กับการสั่นของ
"พันธะระหว่างอะตอม"
หรือ
"พันธะระหว่างกลุ่มอะตอม"
ดังนั้นสารใดก็ตามแม้ว่าเป็นสารคนละตัวกัน
แต่ถ้ามีพันธะระหว่างอะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่เหมือนกัน
หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือมีหมู่ฟังก์ชันที่เหมือนกัน
ก็จะให้รูปแบบการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่เหมือนกันหรือใกล้เคียงกันมาก
รูปที่
๓ ปฏิกิริยาการควบแน่นของ
(บน)
6-Aminohexanoic acid (ล่าง)
Adipic acid กับ
Hexamethylenediamine
รูปที่
๔ IR
spectra ของ
(บน)
Polyamide-6,6 หรือ
Nylon-6,6
(ล่าง)
Polyamide-6 หรือ
Nylon-6
เรื่องมันเริ่มจากเขาเล่าให้ผมฟังว่า
มีคนนำเอาไคโตซาน (Chitosan)
ไปผ่านกระบวนการอย่างหนึ่ง
แล้วนำไปวิเคราะห์ด้วยเทคนิค
FT-IR
และทดสอบคุณสมบัติในการดูดซับน้ำ
ปรากฏว่าผล FT-IR
ที่ได้นั้นมีลักษณะพีคปรากฏเหมือนกัน
เขาก็เลยสรุปว่าตัวอย่างต่าง
ๆ
ที่นำไปผ่านกระบวนการดังกล่าวนั้นเหมือนกับตัวอย่างก่อนนำเข้ากระบวนการ
แต่ผลการวัดการดูดซับน้ำแสดงให้เห็นว่า
เมื่อผ่านกระบวนการดังกล่าวแล้ว
ไคโตซานที่ได้นั้นดูดซับน้ำได้
"มากขึ้น"
ผลการวัดการดูดซับน้ำแสดงให้เห็นว่าเมื่อนำไคโตซานไปผ่านกระบวนการ
ไคโตซานที่ได้มีการ "เปลี่ยนแปลง"
เกิดขึ้น
ทำให้มีคุณลักษณะหนึ่งแตกต่างไปจากเดิมคือการดูดซับน้ำ
สิ่งที่ผมได้อธิบายให้เขาฟังก็คือก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจก่อนว่า
FT-IR
นั้นเราวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของพันธะระหว่างอะตอมหรือหมู่ฟังก์ชัน
ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงใด
ๆ ที่ทำให้พันธะบางพันธะหรือหมู่ฟังก์ชันบางหมู่หายไป
ก็จะทำให้เห็นพีคการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของพันธะและหมู่ฟังก์ชันนั้นลดลงหรือหมายไป
และการเปลี่ยนแปลงใด ๆ
ที่ทำให้เกิดพันธะบางพันธะหรือหมู่ฟังก์ชันบางหมู่เกิดขึ้นมาใหม่นอกเหนือไปจากที่มีอยู่เดิม
ก็จะทำให้เห็นพีคการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของพันธะหรือหมู่ฟังก์ชันนั้นเพิ่มเติมขึ้นมา
(แต่ต้องไม่ซ้อนกับพีคที่มีอยู่เดิมนะ)
อีกประการคือความสามารถในการดูดซับน้ำขึ้นอยู่กับความมีขั้วของโมเลกุล
(หรือของพื้นผิว)
และปริมาตรรูพรุนของวัสดุที่ใช้ดูดซับนั้น
ในกรณีของไคโตซานของเขานั้นผมคิดว่ากระบวนการนั้นคงไปทำให้โมเลกุลของไคโตซานเกิดการแตกตัวในบางตำแหน่ง
แต่หมู่ฟังก์ชันที่เกิดขึ้นมาใหม่ตรงตำแหน่งพันธะที่มีการแตกตัวนั้นน่าจะเป็นหมู่ที่เหมือนกับที่มีอยู่แล้วในโมเลกุลของไคโตซาน
(คือ
-OH
และ
NH2)
ซึ่งถ้าเป็นแบบนี้มันก็จะใช้เป็นสมมุติฐานหนึ่งที่จะอธิบายผลการทดลองที่เขาเล่าให้ฟังได้
จากประสบการณ์ของตัวเองนั้น
การวัด "ปริมาณ"
โดยใช้การวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดกับตัวอย่างที่เป็นของแข็งนั้นมันทำได้ก็จริง
แต่ก็ต้องระวังมากในการเตรียมตัวอย่าง
โดยเฉพาะการเตรียมที่ใช้การผสมกับ
KBr
ก่อนอัดเป็นแผ่น
เพราะต้องควบคุมสัดส่วนการผสมและความเป็นเนื้อเดียวกันของแผ่นตัวอย่างที่เตรียมได้ให้เหมือนกันหมดทุกตัวอย่าง
ด้วยเหตุในกรณีเช่นนี้จึงมักจะทำไปเพื่อการเปรียบเทียบเชิงคุณภาพมากกว่า
บังเอิญว่ายังมีโปรแกรมฐานข้อมูลพีค
IR
การดูดกลืนสารต่าง
ๆ อยู่ในคอมพิวเตอร์เก่า ๆ
เครื่องหนึ่ง
(โปรแกรมฐานข้อมูลนี้มันมากับเครื่องคอมพิวเตอร์ใช้
CPU
รุ่น
80386
ความเร็ว
16
MHz ทำงานบน
Windows
3.1) ก็เลยนำเอาตัวอย่างสารสองตัวที่แตกต่างกัน
แต่มีพีคการดูดกลืน IR
ใกล้เคียงกันมาก
เว้นแต่บริเวณพีคเล็ก ๆ
บางตำแหน่งเท่านั้น
มาให้ดูกันสองคู่
คือกรณีของพอลิโพรพิลีน
และไนลอน
รูปที่
๑ แสดงโครงสร้างโมเลกุลของพอลิโพรพิลีน
คุณสมบัติของพอลิโพรพิลีนที่ได้นั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งหมู่เมทิล
(methyl
-CH3) ว่าหันไปทางทิศไหนของสายโซ่พอลิเมอร์
ถ้าเป็นแบบ Isotactic
หมู่
-CH3
จะหันไปในทิศทางเดียวกันหมด
ถ้าเป็นแบบ Syndiotactic
หมู่
-CH3
จะหันไปในทิศทางตรงข้ามกันแบบสลับไปมาอย่างเป็นระเบียบ
และถ้าเป็นแบบ Atactic
ทิศทางการหันของหมู่
-CH3
จะเอาแน่เอานอนไม่ได้
และด้วยทิศทางการหันของหมู่
-CH3
เช่นนี้ส่งผลให้พอลิโพรพิลีน
มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก
โดยแบบ Isotactic
จะมีความเป็นผลึกมากที่สุด
ในขณะที่แบบ Atactic
นั้นมีโครงสร้างที่เป็นอสัณฐาน
(amorphous)
คล้ายยางซะมากกว่า
ถ้ายังดูไม่ออกว่าทิศทางการหันของหมู่
-CH3
นั้นมันแตกต่างกันอย่างไร
แนะนำให้ไปทำความเข้าใจเรื่อง
Chiral
isomer ก่อน
เรื่องนี้เคยเขียนเอาไว้แล้วเหมือนกันใน
Memoir
ปีที่
๔ ฉบับที่ ๔๒๙ วันเสาร์ที่
๓๑ มีนาคม พ.ศ.
๒๕๕๕
เรื่อง "ปฏิกิริยาDehydroxylation"
แต่ไม่ว่าหมู่
-CH3
จะเรียงตัวแบบใด
หมู่ฟังก์ชันของพอลิโพรพิลีนแต่ละชนิดก็ยังคงเหมือนกันคือประกอบด้วยหมู่เมทิล
(methyl
-CH3) หมู่เมทิลีน
(methylene
-CH2) และตำแหน่งของ
tertiary
carbon (C อะตอมตัวที่มีหมู่เมทิลมาเกาะ
มันจะมีอะตอม H
เกาะอยู่เพียงอะตอมเดียว
อีก 3
แขนเกาะอยู่กับอะตอมคาร์บอนตัวอื่น)
ดังนั้นถ้านำไปวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด
ก็จะเห็นว่าพอลิเมอร์ทั้งสองชนิดมีการดูดกลืนรังสีไม่ว่าจะเป็นตำแหน่งหรือความเข้มของการดูดกลืนนั้น
เหมือนกันมาก (รูปที่
๒)
ยกเว้นช่วงพีคเล็ก
ๆ บริเวณ 1000-1100
cm-1 เท่านั้นเอง
(ช่วงบริเวณนี้เรียกว่า
"Finger
print region")
ตัวอย่างที่สองที่นำมาให้ดูเป็นกรณีของ
polyamide
สองตัวคือ
polyamide-6
หรือ
Nylon-6
และ
polyaminde-6,6
หรือ
Nylon-6,6
พอลิเอไมด์นี้ได้จากปฏิกิริยาการควบแน่นระหว่างหมู่คาร์บอกซิล
(carboxyl
-COOH) กับหมู่อะมิโน
(amino
-NH2) สารตั้งต้นของ
Nylon-6
คือ
6-Amino
hexanoic acid ที่มีจำนวนอะตอม
C
6 อะตอม
(เป็นที่มาของเลข
6
ในชื่อ)
สารตัวนี้มีหมู่
-NH2
ที่ปลายโซ่ข้างหนึ่งและหมู่
-COOH
ที่ปลายโซ่อีกข้างหนึ่ง
ทำให้โมเลกุลของตัวมันเองสามารถต่อรวมกันเป็นสายโซ่ยาวได้
(รูปที่
๓ บน)
โดยจะมีการคายโมเลกุลน้ำออกมาในระหว่างการต่อโมเลุล
(แต่ในอุตสาหกรรมจะใช้
caprolactam
เป็นสารตั้งต้น
โดยทำให้วง caprolactam
แตกออกและเชื่อมต่อเข้าดัวยกัน
การใช้ caprolactum
เป็นสารตั้งต้นจะทำให้ไม่มีการคายน้ำออกมาระหว่างการต่อโมเลกุล)
ส่วน
Nylon-6,6
นั้นได้จากปฏิกิริยาการควบแน่นระหว่างโมเลกุล
Adipic
acid กับ
Hexamethylenediamine
โดยมีการคายโมเลกุลน้ำออกมา
(รูปที่
๓ ล่าง)
ในรูปที่
๓ นั้นผมแสดงแค่การเชื่อมต่อกันระหว่างสองโมเลกุล
จะเห็นว่าผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการควบแน่นของโมเลกุล
6-Amino
hexanoic acid ที่นำไปสู่การเกิดเป็น
Nylon-6
และการควบแน่นของโมเลกุล
Adipic
acid กับ
Hexamethylenediamine
ที่นำไปสู่การเกิดเป็น
Nylon-6,6
นั้นมีโครงสร้างโมเลกุลที่ไม่เหมือนกัน
แต่มีหมู่ฟังก์ชันที่เหมือนกันและมีจำนวนเท่ากัน
(มีหมู่
-COOH,
-NH2, -CH2-, -CO-NH-)
ทำให้สัญญาณการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของ
Nylon-6
และ
Nylon-6,6
นั้นคล้ายคลึงกันมาก
มีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยในบริเวณเลขคลื่น
900-1200
cm-1 ซึ่งเป็นบริเวณของ
Finger
print region
หวังว่าสองตัวอย่างที่ยกมาให้เห็นนี้คงทำให้ตระหนักถึงความจำเป็นที่เราต้องเข้าใจว่าเครื่องมือวัดที่เราใช้นั้น
โดยพื้นฐานแล้วมันวัดอะไร
และจากข้อมูลที่ได้มานั้นมันควรแปลผลออกมาได้แค่ไหน
ไม่ใช่แปลเกินเลยจากสิ่งที่มันวัดได้จริง
ท้ายสุดนี้ก็ขอแสดงความยินดีกับสมาชิกของกลุ่มอีก
๒
คนที่เหลือที่ผ่านการสอบปกป้องวิทยานิพนธ์ในช่วงเช้าของวันนี้ไปได้ด้วยดี
หวังว่าจะรีบดำเนินการแก้ไขตามที่กรรมการให้ความเห็นไว้เพื่อจะได้ปิดงานอย่างสมบูรณ์ได้สักที